Седиментационный анализ: определение, формула и примеры

Подписаться Редактировать статью

Суть седиментационного метода анализа заключается в измерении скорости, с которой частицы оседают (преимущественно из жидкой среды). А используя значения скорости оседания, рассчитывают размеры этих частиц и их удельную поверхность. С помощью этого метода определяют параметры частиц многих видов дисперсных систем, например, суспензий, аэрозолей, эмульсий, то есть тех, которые широко распространены и важны для различных областей промышленности.

Понятие дисперсности

Одним из главных технологических параметров, характеризующих вещества и материалы в различных производственных процессах, является их дисперсность. Она обязательно учитывается во время подбора аппаратов для химической технологии, при производстве разнообразных пищевых продуктов и т.д. Связано это не только с тем, что при уменьшении частичек веществ возрастает площадь поверхности фаз и повышается скорость их взаимодействия, но также с тем, что при этом меняются некоторые свойства системы. В частности, возрастает растворимость, увеличивается реакционная способность вещества, понижаются температуры фазовых переходов. Поэтому возникла необходимость в нахождении количественных характеристик дисперсности различных систем и в седиментационном анализе.

конусы для седиментационного анализа

В зависимости от того, как соотносятся размеры частиц в дисперсной фазе, системы подразделяют на монодисперсные и полидисперсные. Первые состоят исключительно из частиц одного размера. Такие дисперсные системы встречаются довольно редко и в реальности являются очень близкими к истинным монодисперсным. Зато подавляющее большинство существующих дисперсных систем - полидисперсные. Это значит, что они состоят из различающихся по своим размерам частиц, причем их содержание неодинаково. В ходе седиментационного анализа дисперсных систем выполняют определение размеров образующих их частиц с последующим построением кривых распределения их по размерам.

Теоретические основы

Седиментацией называется процесс выпадения в осадок частиц, составляющих дисперсную фазу в газообразной или жидкой средах под действием силы тяжести. Седиментация может быть обратной, если происходит всплывание частиц (капель) в различных эмульсиях.

обратная седиментация

Величину силы тяжести Fg, действующей на частицы шарообразной формы, можно вычислить по формуле, учитывающей гидростатическую поправку:

Fg=4/3·π·r3·(ρ-ρ0)·g,

где ρ – плотность вещества; r – радиус частиц; ρ0 – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.

Противодействует оседанию частиц сила трения Fη, описываемая законом Стокса:

Fη=6·π·η·r·ᴠсед,

где ᴠсед – скорость движения частиц, а η – вязкость жидкости.

В некоторый момент времени частицы начинают оседать с постоянной скоростью, объясняющейся равенством противодействующих сил Fg=Fη, а значит, справедливо и равенство:

4/3·π·r3·(ρ-ρ0)·g=6·π·η·r·ᴠсед. Преобразовав его, можно получить формулу, отражающую взаимосвязь радиуса частицы со скоростью ее оседания:

r=√(9η/(2·(ρ-ρ0)·g))·ᴠсед=K·√ᴠсед.

Если учитывать, что скорость движения частиц можно определить как отношение ее пути H к времени движения τ, то можно записать уравнение Стокса:

сед=Н/т.

Тогда радиус частицы можно связать с временем ее оседания уравнением:

r=K·√Н/т.

Однако стоит отметить, что такое теоретическое обоснование седиментационного анализа будет справедливо при соблюдении ряда условий:

  • Размер твердых частиц должен соответствовать значениям от 10–5 до 10–2 см.
  • Частицы должны иметь сферическую форму.
  • Частицы должны двигаться с постоянной скоростью и независимо от соседних частиц.
  • Трение должно быть внутренним явлением дисперсионной среды.

В связи с тем, что в реальных суспензиях зачастую содержатся частицы, существенно отличающиеся формой от шарообразных, для целей седиментационного анализа вводят понятие эквивалентного радиуса. Для этого в расчетные уравнения подставляют радиус гипотетических шарообразных частиц, выполненных из того же материала, что и реальные в изучаемой суспензии, и оседающие с той же скоростью.

На практике частицы в дисперсных системах неоднородны по своим размерам, и главной задачей седиментационного анализа можно назвать анализ распределения частиц в них по размерам. Иными словами, в ходе исследования полидисперсных систем находят относительное содержание различных фракций (совокупность частиц, размеры которых лежат в определенном интервале).

дисперсные системы

Особенности седиментационного анализа

Существует несколько подходов к выполнению анализа дисперсных систем седиментацией:

  • наблюдение в гравитационном поле за скоростью, с которой оседают частицы в спокойной жидкости;
  • взмучивание суспензии для последующего разделения ее на фракции частиц заданных размеров в струе жидкости;
  • разделение порошкообразных веществ на фракции с определенными размерами частиц, выполняемое посредством воздушной сепарации;
  • наблюдение в центробежном поле за параметрами оседания высокодисперсных систем.

Одним из наиболее широко применяемых является первый вариант анализа. Для его осуществления скорость седиментации определяют каким-либо из следующих способов:

  • наблюдая через микроскоп;
  • взвешивая накапливающийся осадок;
  • определяя концентрацию дисперсной фазы в определенный период процесса оседания;
  • измеряя гидростатическое давление в процессе оседания;
  • определяя плотность суспензии в период оседания.

Понятие суспензии

Под суспензиями понимают грубодисперсные системы, образуемые твердой дисперсной фазой, размеры частиц которой превышают 10-5 см, и жидкой дисперсионной средой. Часто суспензии характеризуют как взвеси порошкообразных веществ в жидкостях. На деле это не совсем верно, поскольку взвеси являются разбавленными суспензиями. Частицы твердой фазы кинетически независимы и могут свободно перемещаться в жидкости.

В реальных (концентрированных) суспензиях, которые нередко называют пастами, твердые частицы взаимодействуют друг с другом. Это приводит к образованию некой пространственной структуры.

Существует еще один вид дисперсных систем, образуемых твердыми дисперсными фазами и жидкими дисперсионными средами. Называют их лиозолями. Однако размер твердых частиц в них намного меньше (от 10-7 до 10-5 см). В связи с этим седиментация в них незначительна, зато характеризуются лиозоли такими явлениями, как броуновское движение, осмос и диффузия. В основе седиментационного анализа суспензий лежит их кинетическая неустойчивость. Это значит, что суспензии характеризуются изменчивостью во времени таких параметров, как дисперсность и равновесное распределение частиц в дисперсионной среде.

Методика

Седиментационный анализ выполняют, используя торсионные весы с чашкой из фольги (диаметр 1-2 см) и высокий стакан. Перед началом анализа взвешивают чашку в дисперсионной среде, погружая ее в наполненный стакан и уравновешивая весы. Вместе с этим измеряется глубина ее погружения. После этого чашка извлекается и быстро помещается в стакан с исследуемой суспензией, при этом она должна быть подвешена на крючок коромысла весов. В тот же момент включатся секундомер. В таблицу заносят данные о массе выпавшего осадка в произвольные моменты времени.

Время от начала исследования, с Масса чашки с осадком, г Масса осадка, г 1/t, с-1 Предел седиментации, г

Используя данные таблицы, вычерчивают кривую седиментации на миллиметровой бумаге. По оси ординат откладывается масса осевших частиц, а по оси абсцисс - время. При этом выбирается адекватный масштаб, чтобы удобно было выполнять дальнейший графический расчет.

кривая седиментационного анализа

Анализ кривой

В монодисперсной среде скорость оседания частиц будет одинакова, а значит, и отстаивание будет характеризоваться равномерностью. Кривая седиментации в этом случае будет имеет линейный характер.

Во время отстаивания полидисперсной суспензии (что и происходит на практике) частицы различных размеров отличаются и скоростью оседания. Это на графике выражается в размытости границы оседающего слоя.

Кривую оседания обрабатывают разбивкой ее на несколько сегментов и проведением касательных. Каждая касательная будет характеризовать оседание отдельной монодисперсной части суспензии.

Общее представление о гранулометрическом составе

Количественное содержание частиц определенной величины в породе обычно называют гранулометрическим составом. От него зависят некоторые свойства пористых сред, например, проницаемость, удельная поверхность, пористость и т.п. По этим свойствам в свою очередь можно сделать выводы о геологических условиях образования залежей пород. Именно поэтому одним из первых этапов исследования осадочных пород является гранулометрический анализ.

фракции частиц различного размера

Так, по результатам анализа гранулометрического состава песков, контактирующих с нефтью, выбирают оборудование и порядок работ в нефтепромысловой практике. Он помогает подобрать фильтры для предотвращения попадания песка в скважину. От количества глинистых и коллоидно-дисперсных минералов в составе зависят процессы поглощения ионов, а также степень набухания пород в воде.

Седиментационный анализ гранулометрического состава пород

В связи с тем, что анализ дисперсных систем, основанный на принципах седиментации, имеет ряд ограничений, применение его в чистом виде для гранулометрического исследования состава пород не обеспечивает должной достоверности и точности. Сегодня он выполняется с применением современного оборудования с использованием компьютерных программ.

современное оборудование для седиментационного анализа

Они позволяют проводить изучение частиц породы из стартового слоя, позволяют непрерывно фиксировать накопление осадка, исключая аппроксимацию уравнениями, измеряют скорость осаждения напрямую. И что не менее важно, допускают исследование седиментации частиц неправильной формы. Процентное содержание фракции того или иного размера определяется компьютером, основываясь на общей массе пробы, а значит, не требуется ее взвешивание перед анализом.


10 очаровательных звездных детей, которые сегодня выглядят совсем иначе
Знаменитости
Как выглядеть моложе: лучшие стрижки для тех, кому за 30, 40, 50, 60
Волосы
Если у вас есть один из этих 11 признаков, тогда вы один из самых редких людей на Земле
Новый век
Наши предки спали не так, как мы. Что мы делаем неправильно?
Сон
11 странных признаков, указывающих, что вы хороши в постели
Сексуальность
Что происходит с организмом человека, который не занимается сексом?
Сексуальность